A precizitás az élet minden területén, így a mezőgazdaságban, és annak egy szűkebb területén, a nemesítés, a fajta-előállítás során is fontos. Ehhez, a precizitás eléréséhez a molekuláris biológiai kutatás forradalmian új technológiákat adott a nemesítők kezébe.
Ma már, a korábbiakhoz képest sokkal precízebben módosíthatók a gének, kezdte Dudits Dénes az előadását, amelynek központi témája, „központi molekulája” a DNS volt. Mint ismert, ez az élet kódját hordozó molekula – szerkezetéből adódóan – biztosítja egyrészt a tulajdonságok öröklődését, másrészt irányítja a fejlődési programot. Az érthetőség kedvéért előrebocsátotta, hogy előadásában sokszor esik szó a DNS-t alkotó molekuláris elemekről, a nukleotidokról, amelyeknek a sorrendje jelenti a genetikai kódot. Az alapfogalmak tisztázása során arra az ismert tényre is emlékeztetett, hogy a termés a gének és a környezet kölcsönhatásának az eredménye. A gének összességét hívjuk genomnak, s az abban található genetikai információ valósítja meg azt a fejlődési programot, amelynek végterméke – esetünkben – az ember számára hasznos mezőgazdasági termék.
Az evolúció alapja
A DNS-molekula, és az azt felépítő egységek a természetben is folyamatos változásnak vannak kitéve. Ennek során alakulnak ki a spontán mutációk, s ezek képezik az evolúció alapját. Gyakorisága elenyésző, minden 100 milliomodik nukleotidra jut egy. Amikor a nemesítők besugárzással vagy kémiai mutagének használatával indukált mutációkat hoznak létre, az arány lényegesen javul, 1:1000 lesz.
Ennek ellenére, hangsúlyozta az előadó, a klasszikus nemesítési módszerek nem irányíthatók.
Például egy keresztezés után nem befolyásolhatók a genetikai történések, de még indukált mutáció esetében sem tudható előre, hogy melyik gén mutálódik. Több tízezer növényt vagy állatot kell termeszteni, illetve tenyészteni ahhoz, hogy a kívánt tulajdonságot mutató egyedek kiválogathatók legyenek.
Ezt az irányíthatatlanságot szüntetheti meg egy teljesen új technológia, a genomszerkesztés.
Ezzel együtt, hangsúlyozta Dudits Dénes, a hagyományos nemesítés, benne a mutációs nemesítés nagyon sikeres, évről évre nő a növények, az állatok teljesítőképessége.
Példaként egy olyan rizst említett, amelyik esetében a kutatók gammasugárzással indukált mutációval jelentősen megnövelték a szemek súlyát. A kérdés tehát az, hogy a véletlenszerű mutációs folyamat miként, milyen eljárással tehető irányíthatóvá?
Új módszerek
Az egyik ilyen technológiával foglalkoznak az előadó intézetében, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpontjában. Arra keresik a választ, hogy miként lehet a laboratóriumban megszintetizált rövid DNS-molekulák, az úgynevezett oligonukleotidok felhasználásával irányított mutációt létrehozni, hogyan tud egy szintetikus DNS-molekula specifikus nukleotidcserét, indukált mutációt kiváltani.
Az eljárás lényege, hogy a kívánt mutáció beépítése érdekében elhelyezett új nukleobázis párosodási zavart okoz, mert nem képes kapcsolódni a gazda-DNS azonos pozíciójú nukleotidjával. Ez a zavar, ami a DNS-szál törésével is járhat, működésbe hozza a sejt saját hibajavító enzimrendszerét. A javítási folyamat során a megfelelő nukleotid épül be a DNS-szálba, és így egy új, három nukleotidból álló triplet jön létre, ami már más, a tervezett aminosav beépülését irányítja a fehérjeszintézis alatt.
Egyetlen aminosav cseréje lényegesen befolyásolhatja a fehérje sajátosságait, és ezen keresztül a kívánt irányba változhatnak meg a növény sejtjeinek, szerveinek sajátosságai. A módszer előnye, hogy transzgén-mentes, tehát nem kell idegen gént beépíteni, egyszerű a megtervezése és a szintézis is viszonylag olcsó. Azonban számos korlátja is van, amelyek gátolják az alkalmazást és a hatékonyságot.
A technológia fejlesztéséhez és optimalizálásához tehát szükség van egy olyan marker rendszerre, amellyel követhető a mutáció. Ebből a célból létrehoztak egy olyan kukorica sejtvonalat, amelyik hibás fluoreszcens fehérje gént hordoz, s ezért ezek a sejtek nem fluoreszkálnak. Ha azonban ezekbe a sejtekbe belövik az (aranyrészecskékhez rögzített) oligonukleotidokat, akkor láthatóvá válnak (fluoreszkálnak) a javított sejtek, azok, amelyekben bekövetkezett a korrekció.
A napjainkban leggyakrabban használt és legígéretesebb módszer azonban a CRISPR/Cas9 technológia. Ezt ismertetve az előadó ismét a kukorica növényt hozta példának. A kukoricának több mint 2 milliárd(!) nukleotidja van, ezek között kell megtalálni azt az egyet, amit ki szeretnénk cserélni és mutáltatni.
A célszekvenciát ebben az esetben egy vezér RNS-molekula ismeri fel, amihez hozzákötődik egy DNS-t hasító enzim, a Cas9 nukleáz.
Ez kettős szálú hasítást okoz a célszekvencia, a kicserélendő nukleotid közelében. Miközben kijavítódik ez a DNS-törés, megtörténhet a kívánt módosítás. (Ehhez egy minta DNS-t használnak, ami legtöbbször szintetikus oligonukleotid.)
Elcsendesített gének
Ezzel az eljárással a kutatók intenzíven vizsgálják a magyar mezőgazdaságot is érintő aszály okozta veszteségek mérséklésének lehetőségét, s ebben a kérdésben is új utat nyithat a genomszerkesztés. A kukoricában például megtalálható az argos nevű gén, amelyet ha a CRISPR/Cas9 technológia segítségével magasan expresszáltatnak, akkor a legkritikusabb időszakban, a virágzáskor bekövetkező szárazság esetén sem csökken a termés mennyisége.
Aszályos körülmények között fontos a levelek légzőnyílásainak állapota, ettől függ ugyanis, hogy a növény mennyi vizet veszít. Az ezt befolyásoló hidrogén-ATPáz enzim génjének DNS szekvenciájába – szintén CRISPR technológiával – egy stopkodont építettek be, aminek következtében a gén „elcsendesült”. Ennek eredményeként a sztómák a korábbiakhoz képest előbb záródnak, ezzel csökken a növények párologtatása, vízvesztése.
CRISPR technológiával betegségekkel szembeni rezisztencia is kialakítható.
A rizs járványos barnulásának kórokozója is megfékezhető, ehhez egy fehérje gén kikapcsolását kell elvégezni irányított mutagenezissel. A lisztharmat az egyik legsúlyosabb gabonabetegség, s úgy tűnik, erre is lesz megoldás. Ehhez a búza kináz génjét kell „elrontani”, működésképtelenné tenni, a mutánsok a kontroll növényekhez képest sokkal kisebb lisztharmat fertőzöttséget mutatnak. Gyapottal is végeztek kísérleteket: szintén CRISPR technológiával elrontották az argináz nevű gént, így a növények nagyobb gyökérzetet növesztettek, aminek szintén aszály esetén van nagy jelentősége.
A példák sorát az állattenyésztéssel folytatta az előadó. Ismert, milyen nagy károkat okoz az RNS-vírus által okozott sertésbetegség, a sertés reproduktív és légzőszervi szindrómája (PRRS). Ahhoz, hogy a vírus képes legyen megfertőzni egy sejtet, egy olyan fehérjére van szükség, amihez kötődni tud. Ez az úgynevezett receptor fehérje. Ha ennek a receptor fehérjének egy egységét genomeditálással (szintén CRISPR/Cas9 technológiával) elrontjuk, akkor a vírus nem tud kötődni a sejtekhez, következésképpen rezisztencia alakul ki.
A genomeditálási kutatások másik célgénje az úgynevezett miosztatin gén. A miosztatin fehérje ugyanis az izmok növekedését és differenciálódását gátolja. Ha ezt a miosztatin gént szerkesztéssel mutáltatják, akkor a mutáns egyedek a vad típushoz képest nagyobb hústömeget növesztenek. (Ezen a területen igen sikeres kutatások folynak Gödöllőn, a Biotechnológiai Központban. Hiripi László és munkatársai nagyobb hústömegű nyulakat állítottak elő.) Szarvasmarhák esetében is igen jelentős testtömeg-növekedés érhető el a miosztatin gén elhallgattatásával.
A humán táplálkozást érintő példát hozva az előadó a tojásallergiát említette, amelytől sok embertársunk szenved. Az allergiás reakcióért két fehérje felelős: az ovalbumin és az ovomukoid. Az ezeknek a fehérjéknek a termelődéséért felelős gének szintén elcsendesíthetők a CRISPR technológiával, és olyan tyúkok keltethetők ki, amelyek teljesen egészségesek, de nem működik bennük az ovalbumin és ovomukoid fehérje termelődéséért felelős gén.
Nem GMO
Előadása végén Dudits Dénes kitért a technológiák eltérő megítélésére. Egy új nemesítési anyagot ugyanis különbözőképpen véleményez az egyesült államokbeli és az európai szabályozás. Az amerikai szerint nem érdekes, hogy azt miként, milyen technológiával állították elő, ott a növény vagy állat tulajdonságai alapján döntenek.
Ezzel szemben az Európai Unió a módszer, az előállítás technológiája alapján dönt az egyes termékekről, és ahogy az előadó fogalmazott, ezért van most bajban. Mert ugyan annak idején döntöttek a GMO-ról, de nem számoltak azzal, hogy jön egy új technológia, a genomszerkesztés, és át kell alakítani a szabályozást.
Ez az ellentmondás az előadó szerint úgy lenne feloldható, ha a genomszerkesztéses technológiát elfogadnák irányított mutagenezisnek.
Mert mint mondta, a felsorolt példákat is azért említette, mert jó lenne elkerülni azt a zsákutcát, amibe a GMO-ügy került. – Ha ugyanis elfogadjuk, hogy a genomszerkesztésből származó szervezetek irányított mutánsok, akkor azokra érvényes kell, hogy legyen az Európai Uniónak a meghatározása, amelyik nem tekinti GMO-nak a mutagenezist, a sejtfúziót és a poliploidizációt.
Még javában dúl a szabadalmi harc a CRISPR kapcsánA tudomány időről időre felkínál újabb és újabb módszereket a problémák megoldására. Ilyen a genomszerkesztés, a CRISPR/Cas9 technológia is. Sorra születnek ugyanis az editált, szerkesztett növény- és háziállat-változatok, amiket (nem idegen) gén beépítésével hoztak létre. Az eljárás Nobel-díj-várományos, és komoly licenszdíjat jelenthet a feltaláló(k)nak. Ezért érthető, hogy az elsőségért, a jogokért két cég, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem (UCB), illetve az MIT és a Harvard által támogatott Broad Intézet a bíróságon csapott össze. Az első eredményeket ugyanis a UCB-s Jennifer Doudna és csapata (a svédországi Umeå Egyetemről Emmanuelle Charpentierrel kiegészülve) publikálta 2012-ben a Science folyóiratban. Ezt követte 2013 elején a Broad Intézetben dolgozó, MIT-s Feng Csang csoportjának CRISPR-tanulmánya az emberi genom szerkesztéséről, szintén a Science-ben. Az index.hu információi szerint a bíróság kimondta: nincs átfedés a két kutatócsapat szabadalmai között, és a UCB-n megszületett első eredményekből nem következnek nyilvánvalóan a további eredmények, ezeket nem tudta volna bárki megvalósítani. A történetnek azonban itt persze még biztosan nincs vége. A Nature magazin szerint azért, mert a UCB minden bizonnyal fellebbez majd, továbbá a döntés csak az amerikai szabadalmakra vonatkozik, ettől függetlenül megy a harc az európai jogokért is. Az sem mellékes, hogy az egész ügy nem általában a CRISPR-ről szól, hanem egész pontosan a CRISPR/Cas9 nevű eljárásról, de a CRISPR-módszer más nukleázokkal is használható. Példa erre a 2015-ben felfedezett CRISPR/Cpf1, amely még a Cas9-nél is egyszerűbbnek és pontosabbnak bizonyulhat, és mások mellett a Broad Intézetnek is van már rá vonatkozó szabadalma. A UCB kutatói pedig épp az idén februárban publikáltak egy tanulmányt két másik alternatíváról, a CasX és a CasY3 nevű nukleázokról. Vagyis hosszú távon az is előfordulhat, hogy nem is azok a szabadalmak érnek majd a legtöbbet, amelyekre a mostani döntés vonatkozik. |